JP3870380B2

JP3870380B2 - 塑性加工用アルミニウム合金及びその製造方法

Info

Publication number: JP3870380B2
Application number: JP2004114211A
Authority: JP
Inventors: 茂岡庭; 秀樹石井; 隆梶山; 琢年近藤; 学今岡; 光代前田; 憲治坪内
Original assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA; Shimano Inc; Nippon Light Metal Co Ltd; Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Current assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA; Shimano Inc; Nippon Light Metal Co Ltd; Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2024-04-08
Also published as: JP2005298871A; CN100371483C; CN1680610A; TW200533763A

Description

この発明は、例えば、自転車部品，釣具，ゴルフクラブやスノーボード等の高機能部材として有用な高引張強度，高ヤング率及び高延性の塑性加工用アルミニウム合金及びその製造方法に関するものである。

近年、急冷凝固法により得られたアルミニウム合金粉末にセラミックスを添加分散させて、その特性、特に剛性の向上を図る試みがされている。例えば、Ａｌ−高Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｏ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系あるいはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系の組成で検討されている（例えば、特許文献１参照）。

また、アルミニウム合金を押出しや鍛造等の熱間成形加工する場合、それに先立って冷間で圧粉成形された粉末成形体の内部や表面には水和物や空気が含まれており、そのまま熱間加工すると、熱間加工時やその後の熱処理工程においてブリスタ（膨れ）等の欠陥が発生する場合がある。そのため、欠陥を発生させないために、熱間加工の前に脱ガスを行うのが一般的である。
特許第２５４６６６０号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、従来のアルミニウム合金においては、例えば、自転車部品，釣具，ゴルフクラブやスノーボード等の高機能部材として有用な高引張強度，高ヤング率及び高延性が十分に得られないという問題があった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、自転車部品，釣具，ゴルフクラブやスノーボード等の高機能部材として有用な高引張強度，高ヤング率及び高延性が得られる塑性加工用アルミニウム合金及びその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、Ｓｉ：０．４〜２．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．０質量％と、更にＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒから選ばれた１種以上を合計で０．４５〜２．０質量％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなる平均粒径が１０〜１５０μｍのアルミニウム合金粉末と、平均粒径が５〜２０μｍのアルミナを１０〜２５質量％とを混合した焼結鍛造成形材であって、水焼入れ処理後に人工時効処理を施した後の室温でのヤング率が８０ＧＰａ以上であり、室温引張強度が３００ＭＰａ以上であり、かつ、伸びが５％以上である、ことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の塑性加工用アルミニウム合金において、上記アルミニウム合金粉末が、Ｓｉ：０．４〜２．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１０〜０．３質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．６質量％、Ｃｒ：０．０５〜０．６質量％を含有するＡｌからなる合金粉末である、ことを特徴とする。

ここで、Ｓｉの添加量を０．４〜２．０質量％としたのは、Ｓｉの添加はＭｇと化合物Ｍｇ_２Ｓｉを形成してアルミニウムマトリックスの熱処理後の強度を３００ＭＰａ以上とするのに最低０．４質量％の添加が必要であり、Ｓｉの添加量が２．０質量％を超えると５％以上の伸びが得られず鍛造加工に支障をきたすからである。

また、Ｍｇの添加量を０．４〜２．０質量％としたのは、Ｍｇの添加は熱処理後の強度を高めるためＳｉとの化合物Ｍｇ_２Ｓｉの形成に必要であり、３００ＭＰａ以上の引張強度を得るには最低０．４質量％の添加が必要であり、Ｍｇの添加量が２．０質量％を超えると塑性加工性が低下するからである。

Ｆｅは、ＳｉとＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉの化合物を形成して、余分なＳｉの悪影響である伸びの減少を低減させる。Ｆｅの添加量を０．１０〜０．３質量％としたのは、添加量が０．１０質量％未満ではアトマイズ粉の組織微細化効果がなくなり、添加量が０．３質量％を超えると伸びの低下をきたすからである。

Ｍｎ及びＣｒは、適量加えることによって、熱間加工による組織の粗大化を抑える効果がある。Ｍｎ及びＣｒの添加量をそれぞれ０．０５〜０．６質量％としたのは、０．０５質量％未満では上記効果がなく、添加量が０．６質量％を超えると延性を低下させるからである。

また、アルミナの添加量を１０〜２５質量％としたのは、ヤング率と耐摩耗性を向上させるためであり、添加量が１０質量％未満になるとヤング率が低下し、２５質量％を超えると伸びが低下するからである。

ここで、アルミニウム合金粉末の平均粒径を１０〜１５０μｍとしたのは、１０μｍ未満ではアルミニウム合金粉末同士で凝集が起こり、アルミナと均一に混合することが困難となり、強度及び伸びのバラツキが大きくなり塑性加工性に支障をきたし、１５０μｍを超えると粗い粒子のものが多くなり、アルミナの均一な分散が困難となり、強度及び伸びのバラツキが大きくなり塑性加工性に支障をきたすからである。

また、アルミナの平均粒径を５〜２０μｍとしたのは、アルミナはヤング率と耐摩耗性を向上させるためであり、平均粒径が５μｍ未満では均一な混合ができなくなり、２０μｍを超えると粗大なアルミナが多くなって、伸び及び塑性加工性を低下させるからである。

請求項３記載の発明は、上記塑性加工用アルミニウム合金の製造方法であって、Ｓｉ：０．４〜２．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．０質量％と、更にＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒから選ばれた１種以上を合計で０．４５〜２．０質量％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなる平均粒径が１０〜１５０μｍのアルミニウム合金粉末に、１０〜２５質量％の平均粒径が５〜２０μｍのアルミナを混合した混合粉末を室温で加圧成形し、この成形体を２００〜４５０℃にて真空脱ガスし、更に、５００〜６００℃の高温で焼結した成形体を、加圧焼結し、その後、鍛造加工して、５４０℃で２時間保持後水冷する水焼入れ処理後に１８０℃で６０時間人工時効処理を施した後の室温でのヤング率が８０ＧＰａ以上であり、室温引張強度が３００ＭＰａ以上であり、かつ、伸びが５％以上である完成品の構造部材を得る、ことを特徴とする。

この発明によれば、自転車部品，釣具，ゴルフクラブやスノーボード等の高機能部材として有用な高引張強度，高ヤング率であって、伸びも、従来品はアルミナの含有量が１０質量％であっても５％未満であるのに対し、この発明ではアルミナの含有量が１０質量％以上であっても８％に達し、延性に優れ、塑性加工性に適している。また、脱ガス後もガスの再吸着を抑制し、ブリスタ（膨れ）等の加工欠陥を生じさせない、塑性加工用アルミニウム合金を得ることができる。

以下に、この発明に係る塑性加工用アルミニウム合金の製造方法の最良の実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。

まず、質量％で（以下、単に％で表示する）、Ｓｉ：０．４〜２．０％（例えば、０．８％）、Ｍｇ：０．４〜２．０％（例えば、１．０％）と、更にＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒから選ばれた１種以上を合計で０．４５〜２．０％（例えば、Ｆｅ：０１５％，Ｍｎ：０．０５％，Ｃｒ：０．３％）を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなるアルミニウム合金急冷凝固粉末を作製する｛ステップ１−１、アルミニウム合金粉末作製工程｝。急冷凝固粉末を作製する方法としては、アトマイズ法，メルトスピニング法，回転円盤法，回転電極法等の公知の製造方法で行えばよく、この発明では、工業的生産に適しているという点でアトマイズ法（特に、ガスアトマイズ法）が適している。なお、このアルミニウム合金粉末作製に当って、均一な混合や強度及び伸びのバラツキを考慮して、アルミニウム合金粉末の平均粒径を好ましくは１０〜１５０μｍとする。その理由は、アルミニウム合金粉末の平均粒径が１０μｍ未満であると、アルミニウム合金粉末同士で凝集が起こり、アルミナと均一に混合することが困難となり、また、アルミニウム合金粉末の平均粒径が１５０μｍを超えると粗い粒子のものが多くなり、アルミナの均一な分散が困難となり、強度及び伸びのバラツキが大きくなり塑性加工性に支障をきたすからである。

次に、上記アルミニウム合金急冷凝固粉末中に、平均粒径が５〜２０μｍ（例えば、１５μｍ）のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）をポットミルにて１０〜２５％（例えば、１５％）混合分散させて得られた混合粉末を、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）して仮成形する｛ステップ１−２、加圧成形工程｝。ここで、Ａｌ₂Ｏ₃の平均粒径を５〜２０μｍとした理由は、平均粒径が５μｍ未満では均一な混合ができなくなり、２０μｍを超えると粗大なＡｌ₂Ｏ₃が多くなって、伸び及び塑性加工性を低下させるからである。

次に、仮成形した混合粉末を真空吸引によって脱ガス処理を行う｛ステップ１−３、脱ガス処理工程｝。脱ガス処理は、加熱しながら行うとガスも抜けやすく、一部焼結も進行するので、２００〜４５０℃によって真空脱ガスする。炉内温度が２００℃を超えると、仮成形体に吸収されている空気や水分が除去され、炉内温度が３００℃を超えると、水和物が分解除去される。これらの現象は、４５０℃以上でも起こるが、仮成形体の温度が４５０℃を超えると次第に焼結が起こり、空気や水分が抜ける仮成形体内部の粉末間の隙間が塞がり始める。そこで、この発明では、焼結が始まる前に脱ガスを十分に行うために炉内温度４００℃の炉内で成形体を１〜６時間（例えば、１．５時間）保持している。

次いで、更に、５００〜６００℃（例えば、５５０℃）の高温で保持時間１〜６時間（例えば４時間）の焼結した成形体を、熱間押出又は熱間圧延により加圧焼結する｛ステップ１−４、加圧焼結工程｝。この加圧焼結工程において、温度が５００℃未満であると、粉末表面を覆っている酸化物等が邪魔をして、焼結速度は遅く焼結はあまり進行しないので、上記温度（５５０℃）以上に加熱する方が好ましい。この温度（５５０℃）以上になると、粉末自身が柔らかくなり、表面の一部が溶融する。溶融してできた溶湯は、粉末表面を覆っている酸化物等の破れ目等から染み出して、粉末間の隙間を埋め、焼結が急速に進行するようになる。なお、６００℃を超える温度で保持すると合金粉末の溶融が起こり、熱間加工材の機械的特性が著しく低下する。また、保持時間が１時間より短いと、焼結が十分に進まないので、保持時間は１時間以上にする必要がある。逆に、保持時間が６時間よりも長いと、合金粉末中の晶・析出物の粗大化が起こり、熱間加工材の機械的性質が低下する。よって、保持時間を１〜６時間とする方が好ましい。

加圧焼結した後、鍛造加工して完成品の構造部材を得る｛ステップ１−５、鍛造加工工程｝。

以下に、上記工程を経て得られた完成品の構造部材である塑性加工用アルミニウム合金の特性と表面観察の実験について説明する。

まず、表１に示す成分の元素とＡｌ₂Ｏ₃を含むアルミニウム合金急冷凝固粉末をガスアトマイズ法で製造（作製）する。得られたアルミニウム合金粉末を冷間静水圧成形で、直径３２５ｍｍのビレットに成形する。得られたビレットを真空炉中で３８０℃の温度で１時間保持し、脱ガス処理し、その後５６０℃の高温（但し、表１のＮｏ．２２とＮｏ．２３のみ４８０℃）で２時間焼結した成形体を常温まで冷却した後、誘導加熱で５００℃まで加熱し、丸棒に押出加圧し、水焼入れ（Ｔ６）処理、すなわち、５４０℃で２時間保持後水冷、１８０℃で６時間人工時効を行ったところ、表２に示すような結果が得られた。

上記実験の結果、発明合金（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）は、引張強度が３０５〜３６７ＭＰａであり、ヤング率が８０〜８７ＧＰａであり、伸びが５．２〜８．５％であり、十分高い引張強度、ヤング率及び伸びを示した。更に、脱ガス後もガスの再吸着を抑制し、ブリスタ等の加工欠陥が生じない塑性加工用アルミニウム合金を得ることができた。これに対し、比較合金（Ｎｏ．５〜Ｎｏ．２３）は、アルミニウム合金粉末とＡｌ₂Ｏ₃の成分量と平均粒径及び焼結温度が適切でないため、引張強度、ヤング率及び伸びが不足しているかバラツキが大きく、又はブリスタが生じることが判った。

よって、質量％（以下、同じ）で、Ｓｉ：０．４〜２．０％、Ｍｇ：０．４〜２．０％と、更にＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒから選ばれた１種以上を合計で０．４５〜２．０％（具体的には、Ｆｅ：０．１０〜０．３％、Ｍｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜０．６％）を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなるアルミニウム合金粉末中に、Ａｌ₂Ｏ₃を１０〜２５％分散させることにより、室温でのヤング率が８０ＧＰａ以上であり、水焼入れ処理後の室温引張強度が３００ＭＰａ以上であり、かつ、伸びが５％以上であり、ブリスタの生じない塑性加工用アルミニウム合金を得ることができる。

この発明に係る塑性加工用アルミニウム合金の製造方法の工程を示すフローチャートである。

Claims

Ｓｉ：０．４〜２．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．０質量％と、更にＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒから選ばれた１種以上を合計で０．４５〜２．０質量％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなる平均粒径が１０〜１５０μｍのアルミニウム合金粉末と、平均粒径が５〜２０μｍのアルミナを１０〜２５質量％とを混合した焼結鍛造成形材であって、水焼入れ処理後に人工時効処理を施した後の室温でのヤング率が８０ＧＰａ以上であり、室温引張強度が３００ＭＰａ以上であり、かつ、伸びが５％以上である、ことを特徴とする塑性加工用アルミニウム合金。
請求項１記載の塑性加工用アルミニウム合金において、
上記アルミニウム合金粉末が、Ｓｉ：０．４〜２．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．０質量％、Ｆｅ：０．１０〜０．３質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．６質量％、Ｃｒ：０．０５〜０．６質量％を含有するＡｌからなる合金粉末である、ことを特徴とする塑性加工用アルミニウム合金。
Ｓｉ：０．４〜２．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．０質量％と、更にＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒから選ばれた１種以上を合計で０．４５〜２．０質量％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌからなる平均粒径が１０〜１５０μｍのアルミニウム合金粉末に、１０〜２５質量％の平均粒径が５〜２０μｍのアルミナを混合した混合粉末を室温で加圧成形し、この成形体を２００〜４５０℃にて真空脱ガスし、更に、５００〜６００℃の高温で焼結した成形体を、加圧焼結し、その後、鍛造加工して、５４０℃で２時間保持後水冷する水焼入れ処理後に１８０℃で６０時間人工時効処理を施した後の室温でのヤング率が８０ＧＰａ以上であり、室温引張強度が３００ＭＰａ以上であり、かつ、伸びが５％以上である完成品の構造部材を得る、ことを特徴とする塑性加工用アルミニウム合金の製造方法。